水文地质学基础中国地质大学武汉地下水补给.pptx

7.1 7.1 地下水的补给地下水的补给7.1.1 大气降水的补给7.1.2 地表水的补给7.1.3 大气降水及河水补给地下水水量的确定7.1.4 凝结水的补给7.1.5 含水层之间的补给7.1.6 地下水的其他补给来源第1页/共56页地下水的补给地下水的补给 Recharge of G.W.Recharge of G.W.补给的研究包括：补给来源、影响因素与补给量补给来源补给来源人工补给人工补给天然补给天然补给大气降水入渗补给大气降水入渗补给凝结水补给凝结水补给相邻含水层的补给相邻含水层的补给地表水补给地表水补给灌溉水入渗补给灌溉水入渗补给生产生活废水补给生产生活废水补给水库渠道渗漏补给水库渠道渗漏补给人工回灌补给人工回灌补给第2页/共56页大气降水入渗机制包气带是降水对地下水补给的枢纽，包气带的岩性结构和含水量状况对降水人渗补给起着决定性作用。目前认为，松散沉积物的降水入渗有两种方式：活活塞塞式式 (piston/diffuse)piston/diffuse):是是指指入入渗渗水水的的湿湿锋锋面面整体向下推进，就象活塞的运移一样整体向下推进，就象活塞的运移一样；捷捷径径式式 (bypass/preferential):bypass/preferential):是是指指入入渗渗水水由由于于存存在在水水分分运运移移的的大大空空隙隙通通道道（根根孔孔、虫虫孔孔、裂裂缝缝等等），入入渗渗水水流流沿沿着着该该通通道道下下渗渗，优优先先达达到到地地下下水面的过程水面的过程。7.1.1 7.1.1 大气降水对地下水的补给大气降水对地下水的补给第3页/共56页t1t2湿锋面活塞式入渗活塞式入渗(均质砂土均质砂土)地面地下水位年龄新的水推年龄新的水推动年龄老的水动年龄老的水下移，下移，“老老”水在前，水在前，“新新”水在后。水在后。第4页/共56页捷径式入渗捷径式入渗(粘性土粘性土介质介质)优势流优势流特点：新水可以超过老水，优先达到含水层；入渗水不必全部补充包气带水分亏缺即可补给下方含水层。t t1 1t t2 2水水第5页/共56页第6页/共56页降雨之前，包气带上部水分亏缺，水量小于残留含水量降雨之前，包气带上部水分亏缺，水量小于残留含水量降雨后，首先补足水分亏缺，多余的水分才能下渗降雨后，首先补足水分亏缺，多余的水分才能下渗下渗水达到到达支持毛细带时，地下水位抬升下渗水达到到达支持毛细带时，地下水位抬升第7页/共56页 降水初期 t1：土土层层干干燥燥，毛毛细细负负压压大大，吸吸水水能能力力很很强强，雨雨水水下下渗快渗快 降水延续 t2 ：含含水水量量增增加加，毛毛细细力力减减小小，入入渗渗速速率率下下降降，直直至至下渗趋于稳定下渗趋于稳定 降水再继续：当当土土层层湿湿锋锋面面推推进进到到支支持持毛毛细细水水带带时时，含含水水量量获获得补给，潜水位上升得补给，潜水位上升降水入渗过程降水入渗过程第8页/共56页第9页/共56页2.2.2.2.降水补给的影响因素降水补给的影响因素降水补给的影响因素降水补给的影响因素qG=P-Rs-E-S影响降水入渗补给的因素？气候因素（P，E）；降水总量；降水强度；降水频率；降水延续时间地形:高或低，陡或缓地质:包气带岩性地下水位埋深;其他:植被、城市化RsEPSqG第10页/共56页年降雨量与入渗补给量年降雨量与入渗补给量问题：问题：年降雨年降雨量越大，入渗量越大，入渗补给量就一定补给量就一定越大吗？越大吗？亚砂土亚砂土第11页/共56页次降雨量与入渗补给量次降雨量与入渗补给量亚砂土亚砂土第12页/共56页间歇性间歇性间歇性间歇性的小雨只湿润土壤表层而经由蒸发及蒸腾返回大气，不构成地下水的的小雨只湿润土壤表层而经由蒸发及蒸腾返回大气，不构成地下水的的小雨只湿润土壤表层而经由蒸发及蒸腾返回大气，不构成地下水的的小雨只湿润土壤表层而经由蒸发及蒸腾返回大气，不构成地下水的有效补给。有效补给。有效补给。有效补给。集中式暴雨集中式暴雨集中式暴雨集中式暴雨降水强度超过地面入渗能力而部分转化为地表径流，降水强度超过地面入渗能力而部分转化为地表径流，降水强度超过地面入渗能力而部分转化为地表径流，降水强度超过地面入渗能力而部分转化为地表径流，入渗系数偏低。入渗系数偏低。入渗系数偏低。入渗系数偏低。连绵细雨连绵细雨连绵细雨连绵细雨不超过地面入渗速率的最有利于地下水的补给。不超过地面入渗速率的最有利于地下水的补给。不超过地面入渗速率的最有利于地下水的补给。不超过地面入渗速率的最有利于地下水的补给。第13页/共56页岩性与降雨入渗补给量岩性与降雨入渗补给量第14页/共56页水位埋深与入渗补给量水位埋深与入渗补给量问题：问题：水位埋水位埋深越浅，入渗深越浅，入渗补给量就一定补给量就一定越大吗？越大吗？亚砂土亚砂土第15页/共56页n n植被覆盖率影响植被覆盖率影响古老牧场48年牧场草地裸地累积入渗量mm603060 min时间0植被对入渗量的影响植被对入渗量的影响第16页/共56页3 3、大气降水入渗补给量的确定、大气降水入渗补给量的确定经验公式法水均衡法示踪法零通量面法数值模拟法第17页/共56页平原区：Q =P F 1000 m3/a mm 无量纲，km2入渗系数法（入渗系数法（）确定方法：确定方法：1.1.地中渗透仪测定地中渗透仪测定2.2.天然潜水位变幅天然潜水位变幅经验公式法经验公式法Experiential Formula MethodExperiential Formula Method）第18页/共56页地中渗透仪结构图实验场观测室接渗瓶测水分损失量第19页/共56页降水入渗系数降水入渗系数年降水量年降水量潜水的埋深潜水的埋深关系图关系图（河北）（河北）第20页/共56页潜水位动态法潜水位动态法第21页/共56页大气圈大气圈地表径流地表径流地面地面包气带包气带含水层含水层降雨降雨入渗入渗补给补给腾发腾发PETSR水均衡法水均衡法（Water Budget Methods)补给补给GuR=P-RS-ET+Gu-SRs地表水地表水第22页/共56页示踪法示踪法（Tracer Method)常用的示踪剂：tritium(3H)、deuterium(2H)、carbon-13(13C)，14C、oxygen-18(18O)、chloride-36(36Cl)、bromide（溴化物）、chloride（氯化物）等。氚示踪法原理氚示踪法原理:人工投放示踪剂到人工投放示踪剂到地下一定深度，定期取样分析剖地下一定深度，定期取样分析剖面上示踪剂浓度变化，据此确定面上示踪剂浓度变化，据此确定峰值下移速率峰值下移速率v v，从而求算地下水，从而求算地下水补给量补给量R R：第23页/共56页示踪法示踪法（Tracer Method)天然氯离子示踪法天然氯离子示踪法原理：原理：以环境氯离子为示踪剂，以环境氯离子为示踪剂，在测得地下水、土壤水及降水的氯在测得地下水、土壤水及降水的氯离子浓度后，通过氯离子平衡和氯离子浓度后，通过氯离子平衡和氯离子累积法求地下水时段补给量和离子累积法求地下水时段补给量和多年平均补给量。多年平均补给量。该方法在大量施用农家肥情况该方法在大量施用农家肥情况下精度受影响，因此，取样剖面下精度受影响，因此，取样剖面选择在淡水区、无农家肥明显影选择在淡水区、无农家肥明显影响的地下水埋深较大的地段。响的地下水埋深较大的地段。第24页/共56页零通量面法零通量面法(Zero Flux Plane Method)原理：它以包气带为水量均衡体系，以中子仪和负压计观测资料为基础数据，根据土壤剖面土水势的变化确定土水势梯度为零（即水分通量为零）的面（零通量面），零通量面以下土壤含水量的变化为地下水补给量。满足：满足：达西定达西定律、质量守恒律、质量守恒定律定律Z(m)Z(m)第25页/共56页数值模拟法数值模拟法在监测降水、蒸发、土壤水和地下水动态等资料的基础上，以土壤植物大气连续体(SPAC)水分传输理论为基础，建立作物生长条件下非饱和或饱和-非饱和数值模拟模型，求算地下水补给量，探讨大气水、土壤水及地下水的转化关系。常用软件有EARTH模型、SWMS模型、HYDRUS第26页/共56页二、地表水对地下水的补给二、地表水对地下水的补给 河流补给:因地而异（空间上），因时而异（时间）比比较较长长年年性性河河流流与与季季节节性性河河流流对对地地下下水水的的补补给给的的异异同同点；点；河流补给的主要影响因素有哪些？河流补给的主要影响因素有哪些？如何确定河水对地下水的补给量？如何确定河水对地下水的补给量？地表水补给地下水的必要条件有哪些：（1）有水力联系（2）地表水水位高于地下水水位第27页/共56页第28页/共56页季节性河流第29页/共56页三、含水层之间的补给三、含水层之间的补给 （越流（越流,地下水的内部转化）地下水的内部转化）潜水承压水之间的补给图7-11中泉水的大小与哪些因素有关？第30页/共56页第31页/共56页第32页/共56页第33页/共56页越越流流（LeakageLeakage）：具具有有一一定定水水头头差差的的相相邻邻含含水水层层，通通过过其其间间的的弱弱透透水水岩岩层层发发生生水水量量交交换换的的过过程程.经经常常发发生生于于松松散散沉沉积积物物中中，粘性土层构成弱透水层粘性土层构成弱透水层.K K小，但小，但A A很大，很大，则则Q Q大。大。KM越流量如何计算？越流量如何计算？第34页/共56页人类对地下水补给的影响1、建造水库 打破地壳重力场的分布，小型地震；2、灌溉农田 地下水位抬高，土壤盐渍化（灌溉回归水：灌溉渗透补给含水层的水量）。3、工业生活废水的排放：地下水受污染。4、有计划、有措施人工补给 其用途：（1）丰水年或雨季水资源储存；（2）储存冷源（空调用水）；（3）控制地面沉降；（4）防止海水倒灌或咸水入侵淡水层；（5）水质净化。第35页/共56页7.2 地下水的排泄（Discharge）排泄：含水层（含水系统）向外界排出水量的过程。地下水排泄的研究包括：排泄方式、影响因素、排泄量的确定排泄方式：泉（点状排泄）、向地表水体泄流（河流线状）、相邻含水层的排泄、蒸发（面状排泄）、人为排泄 前三种排泄方式称为径流排泄，与蒸发排泄的区别：径流排泄水分（盐分）呈液态排出,盐随水去蒸发排泄水分呈气态排出，盐分积累下来，水去盐留第36页/共56页泉是地下水的天然露头，多为“点”状，属径流排泄泉的出露是地形、地质与水文地质条件有机结合的结果，据补给泉的含水层类型可将泉划分为上升泉、下降泉。1.下降泉(出露潜水含水层中的泉）根据出露条件又将下降泉分为：侵蚀泉侵蚀泉：地形切割到潜水面地形切割到潜水面接触泉接触泉：地形切割至隔水底板地形切割至隔水底板溢流泉溢流泉：水流在前方受阻，水位抬升，而溢流成泉水流在前方受阻，水位抬升，而溢流成泉泉泉 springspring第37页/共56页第38页/共56页2.上升泉（出露于承压含水层中的泉）上升泉根据出露条件分为：侵蚀泉，断层泉，接触带泉。侵蚀泉侵蚀泉侵蚀泉侵蚀泉：河流冲沟切穿承压含水层的隔水顶板：河流冲沟切穿承压含水层的隔水顶板：河流冲沟切穿承压含水层的隔水顶板：河流冲沟切穿承压含水层的隔水顶板断层泉断层泉断层泉断层泉：水沿断裂带上升在地面高程低于测压水位处涌溢地表：水沿断裂带上升在地面高程低于测压水位处涌溢地表：水沿断裂带上升在地面高程低于测压水位处涌溢地表：水沿断裂带上升在地面高程低于测压水位处涌溢地表接触带泉接触带泉接触带泉接触带泉：地下水沿有隙缝的接触带上升成泉：地下水沿有隙缝的接触带上升成泉：地下水沿有隙缝的接触带上升成泉：地下水沿有隙缝的接触带上升成泉第39页/共56页第40页/共56页研究泉的意义？直接水文地质资料；间接分析得出水文地质信息。通过泉的出露标高、流量、动态、温度、水化学，可以综合分析与泉水成因有关地质、水文地质条件：1）地下水位标高；2）含水岩层的含水性（透水性）及导水性：泉在地层中的出露情况及泉的流量；3）泉出露处断层的导水性；4）补给条件，循环（交替）强度：泉的流量及泉的动态；5）泉的温度：地下水循环深度；6）泉水的水质反映地下水的化学成分特征；7）供水水源（直接利用）。第41页/共56页二、泄流河流切割含水层时，地下水向河流的排泄，称为泄流地下水的泄流量可通过分割河流流量过程线的方法确定第42页/共56页 流量过程线分割法推测泄流量 1、直接分割法 A：起涨点，作平行线，交于退水线点B。第43页/共56页2、库捷林法潜水与河水有直接联系时QtABDFECFE:河水补给地下水第44页/共56页标准退水曲线法 潜水与河水无直接联系时 作图步骤 （1）作退水曲线的下包线。选同一测水断面的流量过程线的退水段，横轴重合同时使退水线尾部最大重合，下包线即是标准退水曲线。（2）标准曲线与实测退水曲线重合，从退水点A沿标准退水曲线后沿至C;B前沿至D。C：地下最高水位；D：地下最低水位。tQABtQCD第45页/共56页土面蒸发：潜水通过包气带耗失水分叶面蒸腾：通过植物根系吸收潜水或包气带水转化为叶面水而蒸发消耗（一株大的植物，犹如一台生物抽水机）包气带水分直接耗失降低包气带水分含量，加大亏损量；潜水通过支持毛细水带将水传输到包气带蒸发，使地下水位下降蒸发和蒸腾evaporation&evapotranspiration第46页/共56页影响潜水蒸发的主要因素1）气候愈干燥，蒸发强烈，矿化度高）气候愈干燥，蒸发强烈，矿化度高 相对湿度经常小于相对湿度经常小于50的西北，有的地方潜的西北，有的地方潜水矿化度可达水矿化度可达100300g/L；相对湿度经常保持；相对湿度经常保持80以上的川西平原，其矿化度不到以上的川西平原，其矿化度不到0.5g/L。气候、潜水埋藏深度及包气带岩性、以及地下水流动特征。气候、潜水埋藏深度及包气带岩性、以及地下水流动特征。第47页/共56页2）潜水面埋深与蒸发愈的关系 半干旱地区的河北石家庄市，潜水蒸发与其水位埋藏深度的关系。小于 2m时，蒸发量显著增大。但干旱地区山前埋深达数十米的潜水矿化度仍比较高，是干旱气候下气态的蒸发的结果。石家庄第48页/共56页3）包气带岩性 通过对毛细上升高度与速度的影响潜水蒸发。砂最大毛细上升高度太小，而亚粘土与粘土的毛细上升速度又太低，均不利于潜水蒸发。粉质亚砂土、粉砂等组成的包气带，毛细上升高度大，而毛细上升速度又较快，故潜水蒸发最为强烈。最大毛细上升高度粒径粘土亚粘土粉砂中粗砂毛细上升速度第49页/共56页4）地下水流动系统 干旱、半干旱地区地下水的排泄区是蒸发浓缩作用最为强烈的地方。区域性流动系统的排泄区由于能够汇集更大范围地下水中的盐分，蒸发浓缩较局部流动系统排泄区更为发育。干旱、半干旱的平原与盆地，利用地表水大量灌溉引起潜水面抬升，潜水蒸发增强，造成次生的土地盐渍化。第50页/共56页蒸腾蒸腾 植物生长根系吸收水分，在叶面转化成气态水而蒸发，这便是叶面蒸发，也称蒸腾。试验研究小麦籽粒需要消耗1200一1300倍体重的水量。植被繁茂区年的蒸发量约为裸露的两倍，个别甚至超过露天水面蒸发量，甚至占总蒸发量的75。蒸腾的深度受植物根系分布深度的控制。在潜水位深埋的干旱、半干旱地区，某些灌木的根系深达地下数十米。在渠边植树代替渗沟，以消除由于地下水位上升而引起的土壤次生盐渍化。第51页/共56页第52页/共56页第53页/共56页补给与排泄对水质的影响补给与排泄对水质的影响 地下水获得矿化度与化学类型不同的补给水，水质地下水获得矿化度与化学类型不同的补给水，水质也因而发生变化。也因而发生变化。干旱地区的潜水往干旱地区的潜水往 往因长期蒸发浓缩而成为高矿化往因长期蒸发浓缩而成为高矿化水。水。经常获得低矿化水补给的地段，如河流沿岸，季节经常获得低矿化水补给的地段，如河流沿岸，季节性集水洼地，灌渠两侧等，常可找到适于饮用的淡水透性集水洼地，灌渠两侧等，常可找到适于饮用的淡水透镜体。镜体。高矿化水与污染水的补给，则使含水层水质恶化。高矿化水与污染水的补给，则使含水层水质恶化。第54页/共56页1、地下水的排泄分类（据其对水质影响）径流排泄 以泉、泄流等为主要排泄方式，其特点是盐随水径流带走。蒸发排泄 其特点是水排泄掉，而盐份留下。2、地下水循环分类（据补给与排泄特点）入渗径流型 长期循环的结果，使岩土与其中赋存的地下水向溶滤淡化方向发展；入渗蒸发型 长期循环结果，补给区的岩土与地下水淡化脱盐，排泄区的地下水盐化，土壤盐渍化。第55页/共56页感谢您的观看！第56页/共56页